JP2009301920A - Nano chip emitter construction method - Google Patents

Nano chip emitter construction method Download PDF

Info

Publication number
JP2009301920A
JP2009301920A JP2008156250A JP2008156250A JP2009301920A JP 2009301920 A JP2009301920 A JP 2009301920A JP 2008156250 A JP2008156250 A JP 2008156250A JP 2008156250 A JP2008156250 A JP 2008156250A JP 2009301920 A JP2009301920 A JP 2009301920A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
emitter
voltage
atoms
field evaporation
tungsten
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2008156250A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasushi Kokubo
靖 小久保
Akira Niwata
章 庭田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jeol Ltd
Original Assignee
Jeol Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jeol Ltd filed Critical Jeol Ltd
Priority to JP2008156250A priority Critical patent/JP2009301920A/en
Publication of JP2009301920A publication Critical patent/JP2009301920A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nanochip emitter construction method in which a method to arrange a single or a plurality of atoms at an emitter top end is achieved. <P>SOLUTION: High voltage to low voltage are applied in the order from the outside crystal surfaces to the inside crystal surfaces of a tungsten emitter 1 on an extraction electrode 5, and each time, electric field evaporation is carried out on the respective crystal surfaces. With this structure, by controlling the applied voltage on the emitter, an ion source having single or three pieces or six pieces of atoms arranged on [111] axis in (111) surface can be made. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はナノチップエミッタ作製方法に関し、更に詳しくはナノチップと呼ばれる単原子若しくは複数原子から放出される光源(ナノチップエミッタ)の作製方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a nanotip emitter, and more particularly to a method for producing a light source (nanotip emitter) emitted from a single atom or a plurality of atoms called a nanotip.

荷電粒子線の光源として、電子線ではFEG(電界放射型)がSERM(選択的エストロゲン受容体作動薬)の光源として、イオンビームに対してはGa液体金属イオン源が用いられている。そして、このような光源は、電子顕微鏡やFIB装置(集束イオンビーム装置)に用いられている。   As a charged particle beam light source, an electron beam uses FEG (field emission type) as a SERM (selective estrogen receptor agonist) light source, and a Ga liquid metal ion source is used for an ion beam. Such light sources are used in electron microscopes and FIB devices (focused ion beam devices).

近年、ナノチップと呼ばれる単原子、若しくは数原子から放出される光源の研究が行われている。この光源は、従来の光源サイズが数10nmであるのに対し、数nm以下であること、更に輝度が1桁以上高いことが特徴として挙げられている。ナノチップは、通常の数100nmの先端径を持つエミッタ上に更に数nm程度の微細突起を製作し、この微細突起に高電界を集中させることにより小さな光源サイズとより高い高輝度を期待するものである。   In recent years, research has been conducted on light sources emitted from single atoms or several atoms called nanotips. This light source is characterized in that it is several nm or less and the luminance is one digit higher than the conventional light source size of several tens of nm. Nanochips are expected to have a small light source size and higher brightness by producing fine protrusions of about several nanometers on an emitter having a normal tip diameter of several hundreds of nanometers and concentrating a high electric field on these fine protrusions. is there.

エミッタを高電界(静電界若しくは負電界)の下で加熱させて結晶方位のビルドアップを行ない、微細突起を製作する手法や、エミッタ先端に貴金属等を蒸着し、FIM(電界イオン顕微鏡)を利用し、加熱と高電界でエミッタ上に微小突起を製作する手法、更にFIMにおける窒素(N2)ガス導入によりエミッタ先端をエッチングして、微細突起を製作する手法等が報告されている。 The emitter is heated under a high electric field (electrostatic field or negative electric field) to build up the crystal orientation, and fine projections are produced. Precious metals are deposited on the tip of the emitter, and FIM (field ion microscope) is used. In addition, a method for manufacturing a fine protrusion on the emitter by heating and a high electric field and a method for manufacturing a fine protrusion by etching the tip of the emitter by introducing nitrogen (N 2 ) gas in FIM have been reported.

本発明は、上記の方法とは別の、FIMによる電界蒸発によるナノチップの作成手法に関連するものである。
先に述べたFIMについて説明する。FIMは電界イオン顕微鏡と呼ばれ、先鋭化(200nm程度)されたエミッタを液体窒素温度以下に冷却し、エミッタに正の高電圧を印加すると共に、エミッタ先端の近傍に希ガスを10-3Pa程度導入すると、希ガスはエミッタ先端部での原子構造に応じてイオン化され、それぞれのイオンは加速され、蛍光板にエミッタ先端の原子構造を投影する投影タイプのイオン顕微鏡である。今日、現存する最も安価で、かつ容易に最高の倍率を得る装置として知られている。
The present invention relates to a method for producing a nanotip by field evaporation using FIM, which is different from the above method.
The FIM described above will be described. FIM is called a field ion microscope. The sharpened emitter (about 200 nm) is cooled below the temperature of liquid nitrogen, a positive high voltage is applied to the emitter, and a rare gas is introduced at 10 −3 Pa near the tip of the emitter. When introduced to some extent, the rare gas is ionized according to the atomic structure at the tip of the emitter, and each ion is accelerated to project the atomic structure at the tip of the emitter onto a fluorescent plate. Today, it is known as the cheapest and most easily available device for obtaining the highest magnification.

このエミッタ先端部を更に数nm以下にすることにより、極めて光源サイズの小さい、かつ高輝度の希ガスイオンを作成することができるため、これを電子顕微鏡やFIBの光源として使用することが本発明の主旨である。そして、本発明は、この先端部を数nm程度にすることにおいては、エミッタ先端部に単原子若しくは複数の原子を配置することであり、これはエミッタに単に高電圧をかけるばかりではなく、各結晶面内の原子を移動させる固有の電圧で制御することにより、エミッタ先端部に単一若しくは複数の原子を配置させることである。   By further reducing the tip of the emitter to several nanometers or less, it is possible to create a noble gas ion with a very small light source size and high brightness. It is the main point of. The present invention is to arrange a single atom or a plurality of atoms at the tip of the emitter in order to make the tip about several nanometers, which not only applies a high voltage to the emitter, One or a plurality of atoms are arranged at the tip of the emitter by controlling with a specific voltage for moving the atoms in the crystal plane.

図6はFIMの一般的な構成を示す図である。図において、1はイオンを発生するエミッタであり、通常先端径が20nm以下に電界研磨されたタングステン(W)の単結晶が使用される。このエミッタ1は電源2で加熱され、その表面を超高真空下で清浄化が行なわれる。また、エミッタ1は通常、図示されていない冷却装置により液体窒素温度以下に冷却されている。   FIG. 6 is a diagram showing a general configuration of the FIM. In the figure, reference numeral 1 denotes an emitter that generates ions, and a tungsten (W) single crystal that is electropolished to a tip diameter of 20 nm or less is usually used. The emitter 1 is heated by a power source 2 and its surface is cleaned under an ultrahigh vacuum. Moreover, the emitter 1 is normally cooled below the liquid nitrogen temperature by a cooling device (not shown).

3はガス導入チューブであり、ガスとしてはヘリウム(He)や窒素(N2)が使用される。4は超高真空内でのガスの導入量を調整するバルブであり、真空外のガスボンベ4’に接続されている。5は引出電極であり、電源6を通してエミッタ1と引出電極5の間に高電圧が印加され、エミッタ近傍でイオン化されたガスイオンが引出電極5方向に加速され、イオンビームが作成される。更にエミッタ1と引出電極5は共通の電源7にバイアスされ、イオンビームのエネルギーが与えられる。 3 is a gas introduction tube, and helium (He) or nitrogen (N 2 ) is used as the gas. A valve 4 adjusts the amount of gas introduced in the ultra-high vacuum, and is connected to a gas cylinder 4 'outside the vacuum. Reference numeral 5 denotes an extraction electrode. A high voltage is applied between the emitter 1 and the extraction electrode 5 through a power source 6, and gas ions ionized in the vicinity of the emitter are accelerated in the direction of the extraction electrode 5 to create an ion beam. Further, the emitter 1 and the extraction electrode 5 are biased by a common power source 7 and given ion beam energy.

8はアノードであり、通常グランド電位に保持されている。9はイオンビームの検出器であり、主としてMCP(マルチチャネルプレート:Multi Channel Plate)が使用されている。10は蛍光板であり、MCP9に入射したイオンビームが数々の電子を発生し、それらが蛍光板10に加速されて衝突して発光し、エミッタ先端部の原子構造が投影される。11はミラーであり、蛍光板10上のイオンビームのパターンをのぞき窓を経由して真空外部で人間の眼13により観察できる構造となっており、エミッタ1から放出されるイオンビームの量やエミッションパターンの観察に用いられる。   Reference numeral 8 denotes an anode, which is normally held at the ground potential. An ion beam detector 9 is mainly used for MCP (Multi Channel Plate). Reference numeral 10 denotes a fluorescent plate, and an ion beam incident on the MCP 9 generates a number of electrons, which are accelerated and collide with the fluorescent plate 10 to emit light, and the atomic structure at the tip of the emitter is projected. Reference numeral 11 denotes a mirror which has a structure in which the pattern of the ion beam on the fluorescent plate 10 can be observed by the human eye 13 outside the vacuum via the observation window. The amount of the ion beam emitted from the emitter 1 and the emission pattern Used for observation.

本発明での使用においては、MCP9、蛍光板10及びミラー11の3個の部品は、一体構造をしており、パターンを観察した後は、真空外からこれらの部品を光源から外し、中心の(111)面の明るいビームが以下にあるレンズや偏向系であるイオン光学レンズ系に入射できるような構造になっている。このようなFIM装置を使用してエミッタ先端の原子構造を観察することができる。   In the use in the present invention, the three parts of the MCP 9, the fluorescent plate 10 and the mirror 11 have an integral structure. After observing the pattern, these parts are removed from the light source from outside the vacuum, and the center ( The structure is such that a bright beam of (111) plane can enter a lens below or an ion optical lens system which is a deflection system. The atomic structure at the tip of the emitter can be observed using such an FIM apparatus.

図7はタングステン単結晶のボールモデルによる結晶面を示す図である。(a)は(111)面に垂直な軸[111](紙面に垂直)方向から見た場合の結晶面を示し、使用するタングステンエミッタの尖鋭先端方向から観察した場合に対応しており、(b)は(110)面側から見た側面を示しており、エミッタ先端部を横方向から観察した場合に対応している。   FIG. 7 is a diagram showing a crystal plane according to a ball model of a tungsten single crystal. (A) shows the crystal plane when viewed from the direction of the axis [111] (perpendicular to the paper surface) perpendicular to the (111) plane, and corresponds to the case of observation from the sharp tip direction of the tungsten emitter used. b) shows the side surface viewed from the (110) plane side, and corresponds to the case where the tip of the emitter is observed from the lateral direction.

[111]軸は3つの{211}面即ち(211),(121),(112)で囲まれており、更にその外側の3つの{110}面即ち(110),(101),(011)が取り囲んでいることが分かる。ここでは図示されていないが、FIM像では[111]と{211}面の間に3つの{221}面と3つの{335}面が観察されていることが分かる。   The [111] axis is surrounded by three {211} planes, that is, (211), (121), and (112), and the three outer {110} planes, that is, (110), (101), (011). ) Is surrounded. Although not shown here, it can be seen that three {221} planes and three {335} planes are observed between the [111] and {211} planes in the FIM image.

図8は3つの{211}面で囲まれたタングステン(111)面の原子の配列を示した図である。(111)面の軸[111]は紙面に垂直方向であり、一番上のトップテラスでは1つの原子が、そしてその下の2層目のテラスには3個の原子が、そして更にその下の3層目には10個の原子が位置することが分かる。そして、エミッタに正の高電圧が印加されると電界の方向は紙面の下から上に向かう方向となる。   FIG. 8 is a diagram showing the arrangement of atoms on the tungsten (111) plane surrounded by three {211} planes. The axis [111] of the (111) plane is perpendicular to the page, with one atom on the top terrace, three atoms on the bottom terrace below it, and even below it. It can be seen that 10 atoms are located in the third layer. When a positive high voltage is applied to the emitter, the direction of the electric field is from the bottom to the top of the page.

そのため、先に述べた3層目の10個の原子は、特に三角形の頂点の3つの原子は、他の原子に比べて電界が強くなるため、即真空中に放出され、10個の粒子として観察されず、6個の粒子として観察されることになる。即ち、このことは、何らかの原因で頂上の単一原子がどこかに飛んで行ってしまった場合、外部からの電界強度を制御することにより、その下の2層目からの1つの原子を頂上に移動させること、また同様に、2層目の3個の原子が欠けた場合、その下の3層目の原子を2層目に移動させ、補充することができることが予想される。このことは、外部からの電界の強度を最適に制御することにより、エミッタ先端の原子配列を正しく整列することが可能であることを意味している。   Therefore, the 10 atoms in the third layer described above, especially the 3 atoms at the apex of the triangle, have a stronger electric field than the other atoms, so they are immediately released into the vacuum as 10 particles. It is not observed but is observed as 6 particles. That is, this means that if for some reason the top single atom flies away somewhere, by controlling the electric field strength from the outside, one atom from the second layer below it is Similarly, when three atoms in the second layer are missing, it is expected that the atoms in the third layer below it can be moved to the second layer and supplemented. This means that the atomic arrangement at the tip of the emitter can be correctly aligned by optimally controlling the strength of the electric field from the outside.

従来のこの種の装置としては、イオン化室の圧力を比較的低い第1の圧力としてエミッタと引出電極との間にエミッタ先端部を電界蒸発させる電圧を印加し、その後、引出電圧を下げてイオンビームの最大角電流密度が得られる電圧を検出し、その後引出電圧を該電圧に設定する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。   In this type of conventional apparatus, a voltage for evaporating the tip of the emitter is applied between the emitter and the extraction electrode with a relatively low first pressure in the ionization chamber, and then the extraction voltage is lowered to reduce the ion A technique is known in which a voltage at which the maximum angular current density of a beam is obtained is detected, and then an extraction voltage is set to the voltage (see, for example, Patent Document 1).

また、エミッタの先端を電界蒸発させるために引出電圧を上げ、この電圧で電界蒸発を行なった後、引出電圧を下げ、エミッタ先端の(111)面にイオン化を集中させる技術が知られている(例えば特許文献2参照)。   In addition, a technique is known in which the extraction voltage is increased to field evaporate the tip of the emitter, the field voltage is evaporated at this voltage, the extraction voltage is lowered, and ionization is concentrated on the (111) plane of the emitter tip ( For example, see Patent Document 2).

また、エミッタ、エミッタ冷却手段、引出電極と、該エミッタ周辺にイオン化すべきガスを導入する手段と、該エミッタと引出電極の間に直流高電圧にパルス電圧を重畳させて印加する手段を備えた技術が知られている(例えば特許文献3参照)。
特開平7−272652号公報(段落0023〜0028、図5) 特開平7−192669号公報(段落0010〜0018、図3) 特開昭64−10548号公報(第2頁右上欄第14行〜第3頁左上欄第18行、第1図〜第3図)
And an emitter, an emitter cooling means, an extraction electrode, a means for introducing a gas to be ionized around the emitter, and a means for applying a pulse voltage superimposed on a DC high voltage between the emitter and the extraction electrode. A technique is known (for example, refer to Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 7-272651 (paragraphs 0023 to 0028, FIG. 5) JP-A-7-192669 (paragraphs 0010 to 0018, FIG. 3) JP-A 64-10548 (page 2, upper right column, line 14 to page 3, upper left column, line 18, FIGS. 1 to 3)

従来の技術では、エミッタを高電界の下で加熱させて結晶方位のビルドアップを行ない、微細突起を製作する手法や、エミッタ先端に貴金属を蒸着又はメッキし、FIMを利用して加熱と高電界でエミッタ上に微小突起を製作する手法や、FIMにおける窒素ガス導入によりエミッタ先端をエッチングして微細突起を製作する手法等が考えられる。   In the conventional technique, the emitter is heated under a high electric field to build up the crystal orientation, and fine protrusions are produced, or noble metal is deposited or plated on the tip of the emitter, and heating and high electric field are applied using FIM. In this case, a method of manufacturing a fine protrusion on the emitter, a method of manufacturing a fine protrusion by etching the tip of the emitter by introducing nitrogen gas in the FIM, and the like can be considered.

従来の技術では、エミッタを加熱する場合、温度の制御が煩雑であり、また結晶方位のビルドアップは真空の残留ガスの質に左右されてしまうという問題がある。また、貴金属の蒸着やメッキにおいては、数原子層の蒸着、メッキであり、その制御が極めて難しく、特にメッキの場合にはメッキ液等の残渣が超高真空内の汚染となり、再現性に大きな問題がある。また、窒素ガスのエッチングでは、エッチング時間に多量の時間がかかる等の問題がある。   In the prior art, when the emitter is heated, the temperature control is complicated, and the buildup of the crystal orientation depends on the quality of the vacuum residual gas. Also, in the deposition and plating of precious metals, the deposition and plating of several atomic layers is extremely difficult, and in particular, in the case of plating, residues such as plating solution become contamination in ultra-high vacuum, which is highly reproducible. There's a problem. Further, the etching of nitrogen gas has a problem that it takes a long time for etching.

また、FIMによる電界蒸発を利用して、エミッタ先端に単一、若しくは複数の原子を取り付けるためには、再現性や極めて高い設定精度で高電圧を印加しなければならない。電界蒸発を利用したナノチップエミッタの作成では、各結晶面に対応した独自の高電圧を印加し、各結晶面の原子の整列化を行っている。   Further, in order to attach a single atom or a plurality of atoms to the tip of the emitter using field evaporation by FIM, a high voltage must be applied with reproducibility and extremely high setting accuracy. In the creation of a nanotip emitter using field evaporation, a unique high voltage corresponding to each crystal plane is applied to align atoms on each crystal plane.

この高電圧の印加は、結晶面の原子を移動させ、再配置をするように最適に制御する必要がある。電圧値が高すぎれば原子は電界蒸発で真空中に放出されてしまう。また、電圧が低すぎると、結晶面内での再配置を行えないという問題がある。   The application of this high voltage needs to be optimally controlled so as to move and rearrange the atoms on the crystal plane. If the voltage value is too high, atoms are released into the vacuum by field evaporation. In addition, if the voltage is too low, there is a problem that relocation within the crystal plane cannot be performed.

このように、電界強度の制御により、強い電界の印加による電界蒸発と弱い電界による原子を真空外に放出させることなく原子の配置を制御し、安定な原子からの最大エミッションを得るように電界強度を下げて制御する必要がある。しかも、この過程を再現性よくかつ精度よく行わなければならない。   In this way, by controlling the electric field strength, the field evaporation is controlled by applying a strong electric field, and the arrangement of atoms is controlled without releasing atoms caused by a weak electric field to the outside of the vacuum, so that the maximum electric field emission is obtained. It is necessary to control with lowering. Moreover, this process must be performed with good reproducibility and accuracy.

現在は、高電圧をマニュアルで操作し、MCP(マイクロチャネルプレート)上のエミッションパターンを観察しながら、目的とする結晶面がどの程度の電界蒸発をしているのか確認しながら、高電圧の設定を行っている。電界蒸発の状態は、観察像中の目的とする結晶面のコントラストが著しく低くなること、若しくは頻繁に原子が動き回る様子から予想できる。   Currently, the high voltage is set by manually manipulating the high voltage and observing the emission pattern on the MCP (microchannel plate) while checking how much the target crystal plane is evaporated. It is carried out. The state of field evaporation can be predicted from the fact that the contrast of the target crystal plane in the observed image is remarkably lowered, or the state in which atoms frequently move around.

しかしながら、電界蒸発中の観察では、原子の再配列は予測できても、正しく原子が再配置されたか否かは正確には判断できず、再び高電圧を下げて、電界蒸発を中止して、FIM像を観察している。即ち、現在では任意の高電圧VoでFIM像を観察し、目的とする結晶面を電界蒸発させるため、ΔV1だけ高電圧を増加させたVo+ΔV1の電圧で任意の時間、電界蒸発を実施し、その後、再びVoの電圧に戻し、原子の再配列が行われたか否かを確認し、再配列が行なわれていなければ、再度ΔV1の増加、若しくはΔV2の増加による電界蒸発を行ない、その後、再度確認のため、電圧Voに戻して観察を行なう。そして、原子からのエミッションを最適にするためには、通常のVo電圧を更に下げて設定しなければならない。   However, in the observation during field evaporation, even if the rearrangement of atoms can be predicted, it cannot be accurately determined whether or not the atoms have been correctly rearranged. An FIM image is observed. That is, at present, an FIM image is observed at an arbitrary high voltage Vo, and the target crystal plane is subjected to field evaporation. Therefore, field evaporation is performed for an arbitrary time at a voltage of Vo + ΔV1 obtained by increasing the high voltage by ΔV1, and thereafter Then, the voltage is returned to Vo again, and it is confirmed whether or not the rearrangement of atoms has been performed. If the rearrangement has not been performed, electric field evaporation is performed again by increasing ΔV1 or ΔV2, and then confirming again. Therefore, the voltage Vo is returned to the observation. In order to optimize the emission from atoms, the normal Vo voltage must be further lowered.

これらの操作は必要に応じ、目的とする再配列が行なわれるまで繰り返されることになる。このことは、装置を操作する人間には極めて煩わしいことである。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第1に各結晶面に合わせた高圧印加電圧を設定し、制御することにより最終的に単一若しくは複数個の原子をエミッタ先端部に配置する手法を実現することを目的とし、第2にΔVをVoの高圧に重畳させ、ΔVの幅を任意に設定し、かつ時間と共に変化させて電界蒸発を行ない、原子の再配置を確実なものにする手法を実現することを目的としている。
These operations are repeated as necessary until the desired rearrangement is performed. This is extremely troublesome for humans who operate the apparatus.
The present invention has been made in view of such a problem. First, a single or a plurality of atoms are finally formed at the tip of an emitter by setting and controlling a high voltage applied voltage according to each crystal plane. The second purpose is to superimpose ΔV on the high voltage of Vo, set the width of ΔV arbitrarily, and change with time to perform field evaporation, and to rearrange the atoms. The purpose is to realize a method to make sure.

(1)請求項1記載の発明は、タングステンエミッタの外側の結晶面から内側の結晶面へと順次高い電圧から低い電圧を引出電極に印加し、その都度各結晶面で電界蒸発を行なうことを特徴とする。   (1) According to the first aspect of the invention, a high voltage and a low voltage are sequentially applied to the extraction electrode from the outer crystal face to the inner crystal face of the tungsten emitter, and field evaporation is performed on each crystal face each time. Features.

(2)請求項2記載の発明は、タングステンエミッタでの各結晶面に適宜な引出電圧を順次印加して電界蒸発を行なう場合において、以下の工程で行なうことを特徴とする。
1)タングステンエミッタに電圧V1を印加し、結晶面(110)の原子の電界蒸発を行なう
2)タングステンエミッタに電圧V2(<V1)を印加し、結晶面(211)の原子の電界蒸発を行なう
3)タングステンエミッタに電圧V3(<V2)を印加し、結晶面(221)の原子の電界蒸発を行なう
4)タングステンエミッタに電圧V4(<V3)を印加し、結晶面(111)の原子の電界蒸発を行なう
5)タングステンエミッタに電圧V5(<V4)を印加し、結晶面(111)の原子の電界蒸発を行なう
6)タングステンエミッタに電圧V6(<V5)を印加し、結晶面(111)の原子の電界蒸発を行なう
(3)請求項3記載の発明は、タングステンエミッタへの引出電圧を、引出電極に任意の時間幅で掃引印加することにより、最適な電界蒸発に基づく原子の再配列を行なうようにしたことを特徴とする。
(2) The invention described in claim 2 is characterized in that, in the case of performing field evaporation by sequentially applying an appropriate extraction voltage to each crystal plane of a tungsten emitter, the following steps are performed.
1) A voltage V1 is applied to the tungsten emitter to cause field evaporation of atoms on the crystal plane (110). 2) A voltage V2 (<V1) is applied to the tungsten emitter to cause field evaporation of atoms on the crystal plane (211). 3) A voltage V3 (<V2) is applied to the tungsten emitter, and field evaporation of atoms on the crystal plane (221) is performed. 4) A voltage V4 (<V3) is applied to the tungsten emitter, and atoms of the crystal plane (111) are applied. Conduct field evaporation 5) Apply voltage V5 (<V4) to tungsten emitter and perform field evaporation of atoms on crystal plane (111) 6) Apply voltage V6 (<V5) to tungsten emitter to crystal plane (111 (3) In the invention according to claim 3, the extraction voltage to the tungsten emitter is swept and applied to the extraction electrode at an arbitrary time width. It is characterized in that atom rearrangement based on optimum field evaporation is performed.

(4)請求項4記載の発明は、タングステンエミッタの引出電極への引出電圧の印加を、Vo+ΔVからVo−ΔVへ変化させ、変化させた状態でVo−ΔVの状態を所定時間保持することを繰り返して、Vo+ΔVで電界蒸発による原子再配列を行ない、Vo−ΔVの状態で所定時間保持することにより、エミッタを構成する原子の配列を安定化することを特徴とする。   (4) According to the invention of claim 4, the application of the extraction voltage to the extraction electrode of the tungsten emitter is changed from Vo + ΔV to Vo−ΔV, and the state of Vo−ΔV is maintained for a predetermined time in the changed state. Repeatedly, atomic rearrangement is performed by field evaporation at Vo + ΔV, and the arrangement of atoms constituting the emitter is stabilized by holding in a state of Vo−ΔV for a predetermined time.

(5)請求項5記載の発明は、請求項4において、掃引時のエミッション電流を測定して引出電極への引出電圧を求め、制御装置から引出電圧電源を制御してVo+ΔV及びVo−ΔVを自動的に引出電極に印加して原子の配列を安定化させるようにしたことを特徴とする。   (5) The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4, wherein the emission current to the extraction electrode is obtained by measuring the emission current at the time of sweep, and the extraction voltage power source is controlled from the control device to control Vo + ΔV and Vo−ΔV. It is characterized in that it is automatically applied to the extraction electrode to stabilize the arrangement of atoms.

(1)請求項1記載の発明によれば、各結晶面に合わせた高圧印加電圧を設定し、制御することにより最終的に単一若しくは複数個の原子をエミッタ先端部に配置することができる。   (1) According to the first aspect of the present invention, a single or a plurality of atoms can be finally arranged at the tip of the emitter by setting and controlling a high voltage applied voltage adapted to each crystal plane. .

(2)請求項2記載の発明によれば、各結晶面に合わせた高圧印加電圧を漸次下げていくようにすることで、最終的に単一若しくは複数個の原子をエミッタ先端部に配置することができる。    (2) According to the invention described in claim 2, the single or plural atoms are finally arranged at the tip of the emitter by gradually lowering the high voltage applied voltage corresponding to each crystal plane. be able to.

(3)請求項3記載の発明によれば、電圧変化量を基準の高圧に重畳させ、電圧の変化量の幅を任意に設定し、かつ時間と共に変化させて電界蒸発を行ない、原子の再配置を確実なものにすることができる。   (3) According to the invention described in claim 3, the amount of voltage change is superimposed on a reference high voltage, the width of the amount of voltage change is arbitrarily set, and the time is changed with time to perform field evaporation, so Arrangement can be ensured.

(4)請求項4記載の発明によれば、タングステンエミッタの引出電極への引出電圧の印加を、Vo+ΔVからVo−ΔVへ変化させ、変化させた状態でVo−ΔVの状態を所定時間保持することを繰り返して原子再配列を行なうので、原子の再配置を確実なものにすることができる。    (4) According to the invention of claim 4, the application of the extraction voltage to the extraction electrode of the tungsten emitter is changed from Vo + ΔV to Vo−ΔV, and the state of Vo−ΔV is held for a predetermined time in the changed state. By repeating this process, the rearrangement of atoms can be ensured.

(5)請求項5記載の発明によれば、タングステンエミッタの原子の再配置を自動で行なうことができる。   (5) According to the invention described in claim 5, the rearrangement of atoms of the tungsten emitter can be automatically performed.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1に示されたFIM(電界イオン顕微鏡)を用いて本発明方法の一実施の形態を説明する。以降、タングステンをWと表すことにする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First embodiment)
An embodiment of the method of the present invention will be described using the FIM (field ion microscope) shown in FIG. Hereinafter, tungsten is expressed as W.

1)200nm程度の先端径を持つW(111)エミッタを超高真空で真空排気した後、Heガスを10-3Pa程度導入し、エミッタ1に正の高電圧を徐々に印加すると、エミッタ1に吸着されていた吸着ガス分子が電界により放出され、MCP9上ではランダムなスポットが表示される。これを一般にフィールドデソープションと呼ぶ。 1) When a W (111) emitter having a tip diameter of about 200 nm is evacuated in an ultrahigh vacuum, He gas is introduced at about 10 −3 Pa, and a positive high voltage is gradually applied to the emitter 1. The adsorbed gas molecules adsorbed on are released by the electric field, and random spots are displayed on the MCP 9. This is generally called field desorption.

更に、印加電圧を上昇させると、エミッタ1内の原子が外部からの強電界の作用により移動し、原子のマイグレーション(移動)が行なわれる。結晶内に欠陥などがある場合は、この作用により修正が可能となる。更に、印加電圧を上げることにより、結晶内を動き回っていた原子はこの強い外部電界によりエミッタ1から真空中に放出され、タングステン原子の電界蒸発が行なわれる。   When the applied voltage is further increased, atoms in the emitter 1 move due to the action of a strong electric field from the outside, and atom migration (movement) is performed. If there is a defect in the crystal, it can be corrected by this action. Furthermore, by increasing the applied voltage, atoms that have moved around in the crystal are released from the emitter 1 into the vacuum by this strong external electric field, and tungsten atoms are evaporated in a field.

このように、高電圧印加によるエミッタ近傍での電界を制御することにより、エミッタ表面の吸着物の放出、結晶面内での原子の再配置又はエミッタ1を構成している原子を蒸発させることができる。これら一連の過程は、MCP9上でエミッションパターンとして観察され、MCP上でのエミッションパターンを観察しながら、既に示したエミッタ1の各結晶面の原子をそれぞれ固有の高電圧値で電界蒸発と各結晶面内での原子のマイグレーションを制御することにより、最終的に[111]軸上にタングステンの単一原子、若しくは3個の原子、更に若しくは6個の原子配置をさせることができる。   In this way, by controlling the electric field in the vicinity of the emitter by applying a high voltage, it is possible to release the adsorbate on the emitter surface, rearrange the atoms in the crystal plane, or evaporate the atoms constituting the emitter 1. it can. These series of processes are observed as emission patterns on the MCP 9. While observing the emission patterns on the MCP, the atoms on each crystal plane of the emitter 1 already shown are subjected to field evaporation and each crystal at a specific high voltage value. By controlling the migration of atoms in the plane, it is possible to finally arrange a single atom of tungsten, three atoms, or six atoms on the [111] axis.

2)先ず最初は、先に述べた{110}面上の原子を整列させるため、{110}面上の原子が電界蒸発を行なう電圧V1を印加する。電界蒸発が行なわれると、MCP9上には{110}面上の原子が激しく動き回ると共に、各{110}面の外周の原子は{110}面の中心に向かって移動し、中心に来た後、真空中に放出される様子が観察できる。この観察を行ないながら電圧V1を設定し、その結果{110}面の原子が整列される。   2) First, in order to align the atoms on the {110} plane described above, the voltage V1 at which the atoms on the {110} plane perform field evaporation is applied. When field evaporation is performed, atoms on the {110} plane move violently on the MCP 9, and atoms on the outer periphery of each {110} plane move toward the center of the {110} plane and come to the center. The state of being released into the vacuum can be observed. While making this observation, the voltage V1 is set, and as a result, the atoms on the {110} plane are aligned.

図1は本発明によるFIM像を示す図であり、(A)〜(F)が示されている。この図は本発明の一実施形態におけるディスプレイ上に表示した表示画面中のメイン画面の一例を中間調画像の写真で示す図である(図2、図9についても同じ)。図1の(A)は{110}面の電界蒸発をV1=23KVで実施した後に、電圧を21KVに下げて観察したFIM像である。{110}面の面が明確に識別されていることが分かる。と同時に、{211}面の領域が霞んで観察されており、このことは現在のV2=21KVで{211}面が電界蒸発中であることが分かる。   FIG. 1 is a view showing an FIM image according to the present invention, and (A) to (F) are shown. This figure is a diagram showing an example of a main screen in the display screen displayed on the display in one embodiment of the present invention as a photograph of a halftone image (the same applies to FIGS. 2 and 9). FIG. 1A is an FIM image observed by lowering the voltage to 21 KV after performing field evaporation on the {110} plane at V1 = 23 KV. It can be seen that the {110} plane is clearly identified. At the same time, the region of the {211} plane is observed in a dazzling manner, which indicates that the {211} plane is being evaporated in the current V2 = 21 KV.

3)次に{110}面の内側の{211}面の原子の整列を行なうために、先のV1よりも低い電圧V2を印加し、{211}面の電界蒸発を行ない、{211}面での原子の整列を行なう。この場合についても同様に、前記2)の如くMCP9上で各{211}面の外周の原子は、{211}面の中心に向かって移動し、その後真空外に放出される様子を観察しながら電圧V2を設定する。   3) Next, in order to align atoms on the {211} plane inside the {110} plane, a voltage V2 lower than the previous V1 is applied, the field evaporation of the {211} plane is performed, and the {211} plane Align atoms at. In this case as well, while observing that the atoms on the outer periphery of each {211} plane move toward the center of the {211} plane on the MCP 9 as described in 2) and then released to the outside of the vacuum, Set the voltage V2.

先に示した図1の(A)では、電圧を先の電圧V1よりも低い21KVに設定したために、既に{211}面の電界蒸発が開始されていることが、{211}面の領域が霞みがかかったように観察されていることから容易に判断することができる。   In FIG. 1A shown above, since the voltage is set to 21 KV, which is lower than the previous voltage V1, the field evaporation on the {211} plane has already started. It can be easily judged from the fact that it is observed as if itchy.

4)同様に、先のV2よりも低い電圧V3を印加し、先の{211}面の内側に位置する{221}面の電界蒸発を行なう。V3の電圧の設定は手、先と同様にMCP9上でのパターンの観察で{221}面の領域が電界蒸発で霞んで見えることで最適な電圧値に設定することができる。図1の(B)は、V3=17KVで観察されたFIM像であり、既に{211}面がクリアにされ、{221}面の領域がぼけていることより、{221}面での電界蒸発が進行中であることが分かる。   4) Similarly, a voltage V3 lower than the previous V2 is applied, and field evaporation of the {221} plane located inside the previous {211} plane is performed. The voltage of V3 can be set to an optimum voltage value by observing the pattern on the MCP 9 as in the case of the hand and the fact that the region of the {221} plane appears blurred by field evaporation. FIG. 1B is an FIM image observed at V3 = 17 KV. Since the {211} plane is already cleared and the area of the {221} plane is blurred, the electric field at the {221} plane is shown. It can be seen that evaporation is in progress.

5)更に、先の印加電圧V3よりも低い電圧V4を印加させて(111)面の原子の電界蒸発を上記と同様に実施する。これにより図8で示される(111)面上に単一、若しくは3個、更に6個の原子を配置させるべくV4の電圧の設定を行なう。図1の(C)は、V4を14KVに設定し、(111)面の電界蒸発を実施したFIM像である。この場合においても、MCP9上のFIM像を観察しながら最適な電圧V4を設定する。   5) Further, the voltage V4 lower than the previous applied voltage V3 is applied, and the field evaporation of the (111) plane atoms is performed in the same manner as described above. As a result, the voltage V4 is set so that a single, three, or even six atoms are arranged on the (111) plane shown in FIG. (C) in FIG. 1 is an FIM image in which V4 is set to 14 KV and field evaporation of the (111) plane is performed. Even in this case, the optimum voltage V4 is set while observing the FIM image on the MCP 9.

図1の(D)は、その結果、電圧を14KVで電界蒸発を行なった後、得られたFIM像であり、(111)面上に6個の原子が観察されていることが分かる。
6)更に、先の印加電圧V4より低い電圧V5を印加させて、同様に先の6個の原子の上層3個原子を同様な手法で作成することができる。図1の(E)は電圧を13KVで電界蒸発を行なった後得られたFIM像であり、図8で見られる3つの原子像が観察されている。
FIG. 1D shows the FIM image obtained after field evaporation at a voltage of 14 KV, and it can be seen that 6 atoms are observed on the (111) plane.
6) Further, by applying a voltage V5 lower than the previous applied voltage V4, the upper three atoms of the previous six atoms can be similarly created by the same method. FIG. 1E is an FIM image obtained after field evaporation at a voltage of 13 KV, and the three atomic images shown in FIG. 8 are observed.

7)更に、先の印加電圧V5より低い電圧V6を設定することにより、単一原子を配置することができる。図1の(F)は12KVで電界蒸発を行なった後得られた単一原子像である。   7) Furthermore, a single atom can be arranged by setting a voltage V6 lower than the previous applied voltage V5. FIG. 1F shows a single atom image obtained after field evaporation at 12 KV.

8)このように、逐次タングステンエミッタに印加される電圧を変化させて、電界蒸発を行なうことにより、エミッタ1の各結晶面にある原子をエミッタ先端部にマイグレーションさせ、単原子若しくは複数原子レベルでの荷電粒子の光源を作成すると共に破損したエミッタの再生を行なうことができる。   8) In this way, by sequentially changing the voltage applied to the tungsten emitter and performing field evaporation, atoms on each crystal plane of the emitter 1 migrate to the tip of the emitter, and at a single atom or multiple atom level It is possible to regenerate damaged emitters while creating a light source of charged particles.

このように、実施の形態1によれば、各結晶面に合わせた高圧印加電圧を設定し、制御することにより最終的に単一若しくは複数個の原子をエミッタ先端部に配置することができる。また、各結晶面に合わせた高圧印加電圧を漸次下げていくようにすることで、最終的に単一若しくは複数個の原子をエミッタ先端部に配置することができる。
(第2の実施の形態)
図9は(111)方位の単結晶エミッタでのHeガスによるFIM像を示す図である。図9の(A)はタングステン(111)方位の単結晶エミッタでのHeガスによる理想的なFIM像である。中心の(111)結晶方位面に3個の原子が配置され、その外側に3つの{221}結晶方位による多数の原子が、更にその外側を同様に3つの{211}結晶方位の多数の原子が、そして更にその外側をやはり3つの{110}結晶方位の多数の原子が取り囲んでいることが示されている。
As described above, according to the first embodiment, a single or a plurality of atoms can be finally arranged at the tip of the emitter by setting and controlling the high voltage applied voltage according to each crystal plane. Further, by gradually lowering the high voltage applied voltage corresponding to each crystal plane, it is possible to finally arrange single or plural atoms at the tip of the emitter.
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing an FIM image by He gas in a (111) -oriented single crystal emitter. FIG. 9A is an ideal FIM image with He gas in a single crystal emitter of tungsten (111) orientation. Three atoms are arranged in the central (111) crystal orientation plane, a large number of atoms with three {221} crystal orientations on the outside, and a large number of atoms with three {211} crystal orientations on the outside as well However, it is also shown that a large number of atoms of three {110} crystal orientations surround the outside.

特に注目すべき点は、エミッタ先端部に位置する(111)結晶面の原子の数であり、エミッタ先端部は物理的理想状態では、図8に示したように、最上面には1個、その下の2層目には3個、そしてその下の3層目には10個が配置される。本発明では、この(111)面上に配置された単一若しくは3個の原子を、極めて小さい光源サイズで、かつ極めて高い輝度を持つイオン光源として使用することを目的とするものである。   Of particular note is the number of atoms on the (111) crystal plane located at the emitter tip, and in the physical ideal state, the emitter tip is one on the top surface, as shown in FIG. Three are arranged in the second lower layer, and ten are arranged in the third lower layer. An object of the present invention is to use single or three atoms arranged on the (111) plane as an ion light source having an extremely small light source size and extremely high luminance.

しかしながら、通常のFIM実験では、必ずしも先に述べたように(111)面頂上に単一若しくは3個の原子が配置されるとは限らず、電界蒸発での電圧の印加状態、エミッタ近傍の真空の質などの実験条件の違いにより、図9の(B)で示されるように、頂上や2層目の原子が電界蒸発で飛ばされて、3層目や4層目の多数の原子が最上面に配置される構造をとることが多々ある。   However, in a normal FIM experiment, as described above, single or three atoms are not necessarily arranged on the top of the (111) plane, the voltage application state in field evaporation, the vacuum in the vicinity of the emitter. As shown in FIG. 9B, the top and second layer atoms are blown away by field evaporation, and the third and fourth layer atoms are the most, as shown in FIG. 9B. Often, the structure is arranged on the upper surface.

図9の(B)は同じエミッタによるパターンであるが、異なる時期に観察されたため、観察カメラの位置がずれたことによりパターンが回転し、倍率も異なって示されている。このような場合、これらを光源として使用すると、光源サイズが大きくなると共に、輝度が大幅に減少して使用に最適な状態が得られなくなる。このように、光源として使用するためには、(111)面上に単一若しくは3個の原子を再現性よく配置させることが極めて重要である。そのために、エミッタへの印加電圧を微妙にかつ精度よく制御して、原子の再配列を行なうことが本発明の主旨である。本発明では、このFIM装置を使用してエミッタ先端の原子構造を観察し、印加電圧を微小に制御して先端の原子の配列をコントロールするものである。   FIG. 9B shows a pattern with the same emitter, but since the pattern was observed at different times, the pattern was rotated by shifting the position of the observation camera, and the magnification was also shown differently. In such a case, when these are used as the light source, the light source size is increased and the luminance is greatly reduced, so that the optimum state for use cannot be obtained. Thus, in order to use as a light source, it is extremely important to arrange single or three atoms on the (111) plane with good reproducibility. Therefore, the gist of the present invention is to perform rearrangement of atoms by delicately and precisely controlling the voltage applied to the emitter. In the present invention, the atomic structure at the tip of the emitter is observed using this FIM apparatus, and the applied voltage is controlled minutely to control the arrangement of atoms at the tip.

図2は(111)面の頂上に3個の原子が配置されるように引出電圧を制御した一連の結果を示す図である。図2のそれぞれのパターンに対応した引出電圧が図3の電圧印加のグラフに示されている。図3は引出電圧印加の様子を示す図である。横軸は時間、縦軸は引出電圧である。   FIG. 2 is a diagram showing a series of results in which the extraction voltage is controlled so that three atoms are arranged on the top of the (111) plane. The extraction voltage corresponding to each pattern of FIG. 2 is shown in the voltage application graph of FIG. FIG. 3 is a diagram showing how the extraction voltage is applied. The horizontal axis is time, and the vertical axis is the extraction voltage.

図2の(A)は引出電圧12KVで得られたFIM像である。円で示された(111)の中央は、少なくとも3個以上の原子らしきものが観察されているが、その数は定かでないことが分かる。これは、図3のVo=12KVの(A)状態に対応する。図2の(B)は、引出電圧を更に12.65KVに増加した時のFIM像であり、(111)の中心部の原子が強い電界により動き回り、中心部が像ボケとなっていることが分かる。これは、図3の(B)の電圧で電界印加が行われていることに対応する。   FIG. 2A is an FIM image obtained with an extraction voltage of 12 KV. In the center of (111) indicated by a circle, at least three or more atoms are observed, but the number is not clear. This corresponds to the (A) state of Vo = 12 KV in FIG. FIG. 2B is an FIM image when the extraction voltage is further increased to 12.65 KV. The atoms in the center of (111) move around due to a strong electric field, and the center is blurred. I understand. This corresponds to the application of an electric field at the voltage shown in FIG.

この処理の終了後、引出電圧を元の12KV値に戻した図3の(C)の位置で、FIMの観察を行なった結果が、図2の(C)に示されており、(111)の中央には4個の原子が集まっていることが分かる。(111)上に3個の原子を配置させるためには、再度強い電界印加を行わなければならない。図3の(D)の電圧を12.7KVに増加させ、先よりも強い電界印加を行なう。   After the end of this process, the result of FIM observation at the position of (C) in FIG. 3 where the extraction voltage was returned to the original 12 KV value is shown in (C) of FIG. It can be seen that four atoms are gathered in the center of. In order to place three atoms on (111), a strong electric field must be applied again. The voltage in FIG. 3D is increased to 12.7 KV, and a stronger electric field is applied.

この状態は、図2の(D)に対応しており、先と同様に(111)の中心がボケて観察されており、強い電圧印加のため、原子が移動若しくは電界蒸発が行われていることが分かる。図3の(E)に示された、12KVの電圧に戻して観察された時のFIM像は、図2の(E)に示されており、(111)の中央に三角形らしき構造が観察され、3個の原子によるトリマが形成されたことを予想させている。   This state corresponds to (D) in FIG. 2, and the center of (111) is observed in a blurred manner as before, and atoms are moved or field evaporation is performed due to strong voltage application. I understand that. The FIM image shown in (E) of FIG. 3 when observed by returning to a voltage of 12 KV is shown in (E) of FIG. 2, and a triangular structure is observed in the center of (111). It is expected that a trimmer of three atoms has been formed.

次に、図3の(F)で示されるように電圧を11.5KVに下げると、もはや電界蒸発や原子の移動は起こらず、図2の(F)に示されるように(111)面の中心に3個の原子がきれいに観察される。そして、更に図3の(G)に示されるような状態の9.53KVでは、図2の(G)で示される(111)面上の3個の原子の輝度が周りの他の結晶面に比べて、際だって明るくなった状態で示されている。   Next, when the voltage is lowered to 11.5 KV as shown in FIG. 3F, field evaporation and atom movement no longer occur, and as shown in FIG. Three atoms are clearly observed in the center. Further, in 9.53 KV in the state as shown in FIG. 3G, the luminance of the three atoms on the (111) plane shown in FIG. In comparison, it is markedly brighter.

このように、単一若しくは複数個の原子を再配置させて作成するナノチップエミッタでは、電界印加を正確に制御するため、印加電圧の精度よい制御、再現性及び印加電圧の上下特性が極めて重要となる。この実施の形態によれば、電圧変化量を基準の高圧に重畳させ、電圧の変化量の幅を任意に設定し、かつ時間と共に変化させて所定の時間幅での電界蒸発を行ない、原子の再配置を確実なものにすることができる。   As described above, in a nanotip emitter formed by rearranging single or plural atoms, accurate control of applied voltage, reproducibility, and vertical characteristics of applied voltage are extremely important in order to accurately control electric field application. Become. According to this embodiment, the amount of voltage change is superimposed on a reference high voltage, the width of the amount of voltage change is set arbitrarily, and is changed with time to perform field evaporation in a predetermined time width, Relocation can be ensured.

また、タングステンエミッタの引出電極への引出電圧の印加を、Vo+ΔVからVo−ΔVへ変化させ、変化させた状態でVo−ΔVの状態を所定時間保持することを繰り返して原子再配列を行なうので、原子の再配置を確実なものにすることができる。   Further, since the application of the extraction voltage to the extraction electrode of the tungsten emitter is changed from Vo + ΔV to Vo−ΔV, and the state of Vo−ΔV is maintained for a predetermined time in the changed state, the atomic rearrangement is performed. The rearrangement of atoms can be ensured.

図4は本発明の一実施の形態の要部を示す図である。図6と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、1はエミッタ、5は引出電極、6は該引出電極5に引出電圧を印加する引出電圧電源、20は引出電圧電源6の制御を行なうパソコン(PC)、22はエミッタ1からのエミッション電流を検出するエミッション電流検出器、21は該エミッション電流検出器22の出力を受けてエミッション電流を測定する電流計で、その出力は前記PC20に通知される。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。   FIG. 4 is a diagram showing a main part of one embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. In the figure, 1 is an emitter, 5 is an extraction electrode, 6 is an extraction voltage power source for applying an extraction voltage to the extraction electrode 5, 20 is a personal computer (PC) for controlling the extraction voltage power source 6, and 22 is an emission from the emitter 1. An emission current detector 21 for detecting current is an ammeter that receives the output of the emission current detector 22 and measures the emission current, and the output is notified to the PC 20. The operation of the apparatus configured as described above will be described as follows.

イオンは引出電極5に印加された引出電圧電源6で加速され、イオンビームのエミッションが行なわれる。(111)面上からのエミッション電流は、エミッション電流検出器22で検出され、電流計21を通してPC20に接続されている。上記引出電圧電源6は、パソコン20で制御され、引出電圧によるエミッション電流値が記録され、最適なエミッションが得られるように引出電圧が制御される。   Ions are accelerated by an extraction voltage power source 6 applied to the extraction electrode 5 to emit an ion beam. The emission current from the (111) plane is detected by the emission current detector 22 and connected to the PC 20 through the ammeter 21. The extraction voltage power source 6 is controlled by the personal computer 20, the emission current value by the extraction voltage is recorded, and the extraction voltage is controlled so as to obtain the optimum emission.

図5は引出電圧制御の様子を示す図である。横軸は時間、縦軸は引出電圧である。清浄な(111)エミッタに電圧Voを印加した後、電圧を予め指定された上昇ステップで電圧ΔV1だけ増加させ、Vo+ΔV1とし、(111)面上での原子の移動を行わせ、その後電圧を予め指定された下降ステップΔV2だけ下降させ、Vo+ΔV1−ΔV2とし、この状態でエミッション電流Ioを測定する。具体的には、エミッション電流検出器22(図4参照)でエミッション電流を検出する。   FIG. 5 is a diagram showing how the extraction voltage control is performed. The horizontal axis is time, and the vertical axis is the extraction voltage. After applying the voltage Vo to the clean (111) emitter, the voltage is increased by a voltage ΔV1 in a predesignated ascending step to Vo + ΔV1, causing atoms to move on the (111) plane, and then the voltage is The emission current Io is measured in this state by lowering it by the designated lowering step ΔV2 to Vo + ΔV1−ΔV2. Specifically, the emission current detector 22 (see FIG. 4) detects the emission current.

PC20はこのエミッション電流Ioを、予め指定されている目標のエミッション電流Ikと比較する。さして、IoがIkより小さければ更にΔV2だけ下降させ、同様にエミッション電流Ioを測定し、Ikと比較する。IoがIkになるまで予め指定された回数N回まで繰り返す。   The PC 20 compares the emission current Io with a target emission current Ik designated in advance. If Io is smaller than Ik, it is further lowered by ΔV2, and the emission current Io is measured in the same manner and compared with Ik. Repeat until a predetermined number of times N until Io becomes Ik.

目標のIkが得られない場合には、再度元に戻り、電圧を上昇させて原子を移動させる際に電圧をVo+ΔV1とし、以下同様に電圧の下降とIoの測定と比較を繰り返す。このような制御動作を行なうことにより、タングステンエミッタの原子の再配置を自動で行なうことができる。   When the target Ik cannot be obtained, the process returns to the original state, and when the voltage is increased to move the atom, the voltage is set to Vo + ΔV1, and thereafter the voltage decrease and the measurement and comparison of Io are repeated in the same manner. By performing such a control operation, the rearrangement of atoms of the tungsten emitter can be performed automatically.

以上、説明したように、本発明によれば、エミッタへの印加電圧を各結晶面に合わせて電界蒸発を実施し、エミッタ表面のクリーニングと各結晶面内での原子の再配列を行ない、(111)面内の[111]軸上に単一若しくは3個若しくは6個の原子を配置したイオン源とすることができる。   As described above, according to the present invention, electric field evaporation is performed by adjusting the voltage applied to the emitter to each crystal plane, the emitter surface is cleaned, and atoms are rearranged in each crystal plane. The ion source can have a single, three, or six atoms arranged on the [111] axis in the (111) plane.

また、エミッタ先端に原子を配置させるに当たり、外部からの電界強度を正確にかつ再現性よく制御させ、原子の結晶内での移動、更に強い電界での電界蒸発を行なう過程で、高電圧を任意の幅の範囲内で電気的に走査させることにより、最適な電界蒸発、原子の再配列を実現させると共に、エミッションの最高値を容易に得ることができる。   In addition, when placing atoms at the tip of the emitter, the external electric field strength is controlled accurately and with good reproducibility, and in the process of atom movement in the crystal and field evaporation with a stronger electric field, a high voltage can be arbitrarily set. By performing electrical scanning within the range of the width, optimal field evaporation and atom rearrangement can be realized, and the maximum emission value can be easily obtained.

本発明によるFIM像を示す図である。It is a figure which shows the FIM image by this invention. (111)面の頂点に3個の原子が配置されるように引出電圧を制御した一連の結果を示す図である。It is a figure which shows a series of results which controlled extraction voltage so that three atoms may be arrange | positioned at the vertex of a (111) plane. 引出電圧印加の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of extraction voltage application. 本発明の一実施の形態の要部を示す図である。It is a figure which shows the principal part of one embodiment of this invention. 引出電圧制御の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of extraction voltage control. FIMの一般的な構成を示す図である。It is a figure which shows the general structure of FIM. タングステン単結晶のボールモデルによる結晶面を示す図である。It is a figure which shows the crystal plane by the ball | bowl model of a tungsten single crystal. 3つの{211}面で囲まれた(111)面の原子の配列を示した図である。It is the figure which showed the arrangement | sequence of the atom of the (111) surface enclosed by three {211} surfaces. (111)方位の単結晶エミッタでのHeガスによるFIM像を示す図である。It is a figure which shows the FIM image by He gas in the single crystal emitter of (111) direction.

符号の説明Explanation of symbols

1 エミッタ
5 引出電極
6 引出電圧電源
20 パソコン(PC)
21 電流計
22 エミッション電流検出器
1 Emitter 5 Extraction electrode 6 Extraction voltage power supply 20 Personal computer (PC)
21 Ammeter 22 Emission current detector

Claims (5)

タングステンエミッタの外側の結晶面から内側の結晶面へと順次高い電圧から低い電圧を引出電極に印加し、その都度各結晶面で電界蒸発を行なうことを特徴とするナノチップエミッタ作製方法。   A method for producing a nanotip emitter, wherein a high voltage and a low voltage are sequentially applied to an extraction electrode from an outer crystal face to an inner crystal face of a tungsten emitter, and field evaporation is performed on each crystal face each time. タングステンエミッタでの各結晶面に適宜な引出電圧を順次印加して電界蒸発を行なう場合において、以下の工程で行なうことを特徴とする請求項1記載のナノチップエミッタ作製方法。
1)タングステンエミッタに電圧V1を印加し、結晶面(110)の原子の電界蒸発を行なう
2)タングステンエミッタに電圧V2(<V1)を印加し、結晶面(211)の原子の電界蒸発を行なう
3)タングステンエミッタに電圧V3(<V2)を印加し、結晶面(221)の原子の電界蒸発を行なう
4)タングステンエミッタに電圧V4(<V3)を印加し、結晶面(111)の原子の電界蒸発を行なう
5)タングステンエミッタに電圧V5(<V4)を印加し、結晶面(111)の原子の電界蒸発を行なう
6)タングステンエミッタに電圧V6(<V5)を印加し、結晶面(111)の原子の電界蒸発を行なう
The method for producing a nanotip emitter according to claim 1, wherein the field evaporation is performed by sequentially applying an appropriate extraction voltage to each crystal plane of the tungsten emitter in the following steps.
1) A voltage V1 is applied to the tungsten emitter to cause field evaporation of atoms on the crystal plane (110). 2) A voltage V2 (<V1) is applied to the tungsten emitter to cause field evaporation of atoms on the crystal plane (211). 3) A voltage V3 (<V2) is applied to the tungsten emitter, and field evaporation of atoms on the crystal plane (221) is performed. 4) A voltage V4 (<V3) is applied to the tungsten emitter, and atoms of the crystal plane (111) are applied. Conduct field evaporation 5) Apply voltage V5 (<V4) to tungsten emitter and perform field evaporation of atoms on crystal plane (111) 6) Apply voltage V6 (<V5) to tungsten emitter to crystal plane (111 ) Field evaporation of atoms
タングステンエミッタへの引出電圧を、引出電極に任意の時間幅で掃引印加することにより、最適な電界蒸発に基づく原子の再配列を行なうようにしたことを特徴とするナノチップエミッタ作製方法。   A method for producing a nanotip emitter, characterized in that an atom rearrangement based on an optimum field evaporation is performed by sweeping and applying an extraction voltage to a tungsten emitter at an arbitrary time width to an extraction electrode. タングステンエミッタの引出電極への引出電圧の印加を、Vo+ΔVからVo−ΔVへ変化させ、変化させた状態でVo−ΔVの状態を所定時間保持することを繰り返して、Vo+ΔVで電界蒸発による原子再配列を行ない、Vo−ΔVの状態で所定時間保持することにより、エミッタを構成する原子の配列を安定化することを特徴とする請求項3記載のナノチップエミッタ作製方法。   The application of the extraction voltage to the extraction electrode of the tungsten emitter is changed from Vo + ΔV to Vo−ΔV, and the state of Vo−ΔV is maintained for a predetermined time in the changed state. 4. The method for producing a nanotip emitter according to claim 3, wherein the arrangement of atoms constituting the emitter is stabilized by performing and maintaining for a predetermined time in a state of Vo−ΔV. 請求項4において、掃引時のエミッション電流を測定して引出電極への引出電圧を求め、制御装置から引出電圧電源を制御してVo+ΔV及びVo−ΔVを自動的に引出電極に印加して原子の配列を安定化させるようにしたことを特徴とするナノチップエミッタ作製方法。   5. The emission current to the extraction electrode is obtained by measuring the emission current at the time of sweeping, and the control device controls the extraction voltage power source to automatically apply Vo + ΔV and Vo−ΔV to the extraction electrode. A method for producing a nanotip emitter, characterized in that the arrangement is stabilized.
JP2008156250A 2008-06-16 2008-06-16 Nano chip emitter construction method Withdrawn JP2009301920A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008156250A JP2009301920A (en) 2008-06-16 2008-06-16 Nano chip emitter construction method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008156250A JP2009301920A (en) 2008-06-16 2008-06-16 Nano chip emitter construction method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009301920A true JP2009301920A (en) 2009-12-24

Family

ID=41548615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008156250A Withdrawn JP2009301920A (en) 2008-06-16 2008-06-16 Nano chip emitter construction method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2009301920A (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013035411A1 (en) * 2011-09-05 2013-03-14 株式会社 日立ハイテクノロジーズ Emitter, gas field ionization ion source, and ion beam device
JP2013152912A (en) * 2012-01-26 2013-08-08 Jeol Ltd Emitter chip manufacturing device, and method of manufacturing emitter chip
JP2013535089A (en) * 2011-06-22 2013-09-09 サーティエイス リサーチ インスティチュート、チャイナ エレクトロニクス テクノロジー グループ コーポレイション Particle source and manufacturing method thereof
WO2014057570A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 株式会社 日立ハイテクノロジーズ Method for manufacturing electron source
JP2015018805A (en) * 2013-07-08 2015-01-29 カール ツァイス マイクロスコーピー エルエルシー Charged particle beam system and method of operating the same
WO2015053301A1 (en) * 2013-10-10 2015-04-16 株式会社日立ハイテクノロジーズ Ion beam device and emitter tip adjustment method
US9530612B2 (en) 2013-07-08 2016-12-27 Carl Zeiss Microscopy, Llc Charged particle beam system and method of operating a charged particle beam system

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9017562B2 (en) 2011-06-22 2015-04-28 38Th Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation Particle sources and methods for manufacturing the same
JP2013535089A (en) * 2011-06-22 2013-09-09 サーティエイス リサーチ インスティチュート、チャイナ エレクトロニクス テクノロジー グループ コーポレイション Particle source and manufacturing method thereof
JP2013054911A (en) * 2011-09-05 2013-03-21 Hitachi High-Technologies Corp Emitter, gas field ionization ion source, and ion beam device
WO2013035411A1 (en) * 2011-09-05 2013-03-14 株式会社 日立ハイテクノロジーズ Emitter, gas field ionization ion source, and ion beam device
JP2013152912A (en) * 2012-01-26 2013-08-08 Jeol Ltd Emitter chip manufacturing device, and method of manufacturing emitter chip
JPWO2014057570A1 (en) * 2012-10-12 2016-08-25 株式会社日立ハイテクノロジーズ Manufacturing method of electron source
WO2014057570A1 (en) * 2012-10-12 2014-04-17 株式会社 日立ハイテクノロジーズ Method for manufacturing electron source
US10074506B2 (en) 2012-10-12 2018-09-11 Hitachi High-Technologies Corporation Method for manufacturing electron source
JP2015018805A (en) * 2013-07-08 2015-01-29 カール ツァイス マイクロスコーピー エルエルシー Charged particle beam system and method of operating the same
US9530612B2 (en) 2013-07-08 2016-12-27 Carl Zeiss Microscopy, Llc Charged particle beam system and method of operating a charged particle beam system
US9530611B2 (en) 2013-07-08 2016-12-27 Carl Zeiss Microscopy, Llc Charged particle beam system and method of operating a charged particle beam system
US9536699B2 (en) 2013-07-08 2017-01-03 Carl Zeiss Microscopy, Llc Charged particle beam system and method of operating a charged particle beam system
US9627172B2 (en) 2013-07-08 2017-04-18 Carl Zeiss Microscopy, Llc Charged particle beam system and method of operating a charged particle beam system
US9640364B2 (en) 2013-07-08 2017-05-02 Carl Zeiss Microscopy, Llc Charged particle beam system and method of operating a charged particle beam system
WO2015053301A1 (en) * 2013-10-10 2015-04-16 株式会社日立ハイテクノロジーズ Ion beam device and emitter tip adjustment method
JPWO2015053301A1 (en) * 2013-10-10 2017-03-09 株式会社日立ハイテクノロジーズ Ion beam apparatus and emitter tip adjustment method
US9761407B2 (en) 2013-10-10 2017-09-12 Hitachi High-Technologies Corporation Ion beam device and emitter tip adjustment method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9773634B2 (en) Iridium tip, gas field ion source, focused ion beam apparatus, electron source, electron microscope, electron beam applied analysis apparatus, ion-electron multi-beam apparatus, scanning probe microscope, and mask repair apparatus
US7368727B2 (en) Atomic level ion source and method of manufacture and operation
JP6490917B2 (en) Correction device
US7919750B2 (en) Electron gun, electron beam exposure apparatus, and exposure method
JP6001292B2 (en) Emitter fabrication method
JP2009301920A (en) Nano chip emitter construction method
US7777404B1 (en) Field emission type electron gun comprising single fibrous carbon electron emitter and operating method for the same
JP5595199B2 (en) Electron gun and electron beam drawing apparatus using electron gun
CN109804450B (en) Electron beam apparatus
EP2575158B1 (en) Method for manufacturing a particle source
TW202013410A (en) Metal protective layer for electron emitters with a diffusion barrier
US20110036810A1 (en) Manufacturing method of electron source
JP5432028B2 (en) Focused ion beam device, tip end structure inspection method, and tip end structure regeneration method
TWI667681B (en) Focused ion beam device
US11081312B2 (en) Method of manufacturing emitter, emitter, and focused ion beam apparatus
JP6121767B2 (en) Focused ion beam apparatus and focused ion beam irradiation method
JP5592136B2 (en) Chip tip structure inspection method
JP6116303B2 (en) Focused ion beam device
JP6236480B2 (en) Emitter fabrication method
JP2009129547A (en) Field emission type electron source and electron beam application device using it

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20110906